А. М. Дымков расчет и конструирование трансформаторов допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебник
| Вид материала | Учебник |
- Г. Г. Почепцов Теоретическая грамматика современного английского языка Допущено Министерством, 6142.76kb.
- В. Г. Атаманюк л. Г. Ширшев н. И. Акимов гражданская оборона под ред. Д. И. Михаилика, 5139.16kb.
- A. A. Sankin a course in modern english lexicology second edition revised and Enlarged, 3317.48kb.
- Автоматизация, 5864.91kb.
- Н. Ф. Колесницкого Допущено Министерством просвещения СССР в качестве учебник, 9117.6kb.
- В. В. Виноградов Очерки по истории русского литературного языка XVII-XIX веков издание, 11316.28kb.
- А. Б. Долгопольский пособие по устному переводу с испанского языка для институтов, 1733.75kb.
- В. К. Чернышева, Э. Я. Левина, Г. Г. Джанполадян,, 563.03kb.
- В. И. Королева Москва Магистр 2007 Допущено Министерством образования Российской Федерации, 4142.55kb.
- Ю. А. Бабаева Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебник, 7583.21kb.
ГЛАВА X
ТИПЫ И УСТРОЙСТВО МАГНИТОПРОВОДОВ
§ 11.1. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ СТАЛЬ
Магнитопровод (сердечник) трансформатора представляет собой замкнутую магнитную цепь, предназначенную для прохождения главного магнитного потока Ф, сцепленного с обеими обмотками. Одним из основных требований, предъявляемых к правильно сконструированному магнитопроводу, является получение возможно меньших потерь и тока холостого хода. Для выполнения этого условия сталь, применяемая для изготовления магнитопровода, должна обладать высокой магнитной проницаемостью, большим удельным сопротивлением и
Рис. 11.1. Различные формы косых стыков пластин стержней и ярм:
а — сочетание косых и прямых стыков; б — косые стыки
малой задерживающей (коэрци- тивной) силой. Таким образом, свойство стали имеет весьма существенное значение для качества трансформатора в целом.
Материалом для магнитопроводов современных силовых трансформаторов служит специальная электротехническая кремнистая тонколистовая сталь толщиной 0,35 и 0,5 мм. Электротехническая сталь изготовляется по ГОСТ 802—58. Для трансформаторов пиний применяется сталь марок Э42, Э43 и Э43А (горячекатаная) и Э320, ЭЗЗО и ЭЗЗОА (холоднокатаная).
Обозначения марок электротехнической стали состоят из буквенной и цифровой частей и расшифровываются следующим образом. Буква Э означает, что сталь электротехническая. Первая цифра (3; 4) означает степень легирования стали кремнием: 3 — повышеннолегированная сталь с содержанием 2,8÷3,5% кремния, со средней плотностью 7,65 кГ/дм3; 4 — высоколегированная горячекатаная сталь с содержанием 3,8÷4,8% кремния, со средней плотностью 7,55 кГ/дм3. Вторая цифра (2; 3) означает гарантированные электромагнитные свой ства стали; 2 — с пониженными, 3 — с низкими и буква А после цифры — с особо низкими удельными потерями. Третья цифра 0 означает, что сталь холоднокатаная текстурованная. В течение долгого времени для силовых трансформаторов применялась горячекатаная сталь толщиной 0,5 мм, допускающая индукцию В в сердечнике до 1,4— 1,45 тл. В последнее время трансформаторостроение полностью переходит на применение холоднокатаной стали толщиной 0,35 мм, допускающей индукцию В до 1,6—1,7тл. Повышение индукции, естественно, дает возможность получить экономию в активных материалах, хотя холоднокатаная сталь стоит несколько (на 25—35%) дороже горячекатаной. Кроме того, холоднокатаная сталь требует более усложненную конструкцию магнитопровода и новые методы обработки пластин.
В холоднокатаной стали благодаря применяемой для нее специальной технологии проката создается анизотропия магнитных свойств. Она заключается в том, что при совпадении направлений линий магнитной индукции с направлением проката удельные потери получаются наименьшими, а магнитная проницаемость наибольшей. В связи с этим с целью наилучшего использования свойств холоднокатаной стали соответствующим образом должен выполняться раскрой пластин (позиций) магнитопровода, в пластинах должны отсутствовать отверстия для прессовки шпильками и план шихтовки пластин должен быть с применением косых стыков (рис. 11.1, б).
Электротехническая сталь обычно поставляется в листах размером 750х1500 мм и 1000x2000 мм. С целью максимально автоматизировать процесс раскроя и изготовления магнитопровода холоднокатаная текстурованная сталь может поставляться в рулонах шириной 240, 750 и 1000 мм.
Пластины электротехнической стали, предназначенные для сборки магнитопровода, должны быть изолированы друг от друга.
Наибольшее применение получило покрытие пластин с двух сторон тонкой лаковой пленкой. В зависимости от мощности трансформатора (диаметра стержня) применяется одно-, двух- и трехкратная лакировка. В последние годы все более широко стало применяться двустороннее жаростойкое покрытие листов стали, наносимое на металлургическом заводе после проката. Такое покрытие особенно целесообразно при необходимости применять отжиг пластин после их окончательной механической обработки для снятия образующегося наклепа. Кроме того, жаростойкое покрытие дает наиболее высокий коэффициент заполнения.
Наличие изоляции между листами уменьшает коэффициент заполнения активной сталью геометрического сечения стержня и ярма. Коэффициент заполнения К3 сечения сталью равен отношению чистой суммарной площади стали пластин в сечении—активного сечения FCT или Fя—к площади ступенчатой фигуры Fф.ст или Fф.я, т.е.
К3=Fcт/Fф.ст.
Коэффициент заполнения К3 зависит от толщины листов стали, вида междулистовой изоляции, степени сжатия пластин и наличия в них искривлений в поперечном (волнистость) и продольном (коробоватость) направлениях и других дефектов. Коэффициент заполнения К3, даже при отсутствии покрытия, всегда меньше 1, его усредненные значения при нормальном сжатии приведены в табл. 11.1.
Таблица 11.1
| Вид стали | Вид изоляции | Коэффициент К3 при толщине листов {мм) | |
| 0,5 | 0,35 | ||
| Листовая | Без изоляции Лакировка однократная Лакировка двукратная Лакировка трехкратная | 0,97 — 0,98 0,95 — 0,96 0,93 — 0,94 0,91 — 0,92 | 0,95 — 0,96 0,93—0,94 0,91 —0,92 0,89 — 0,90 |
| Рулонная | Жаростойкое покрытие Жаростойкое покрытие и однократная лакировка | — — | 0,95 — 0,96 0,93 — 0,94 |
§ 11.2. ТИПЫ ОДНО- И ТРЕХФАЗНЫХ МАГНИТОПРОВОДОВ
Однофазный магнитопровод может быть двух основных видов: стержневой (рис. 11.2) и броневой (рис. 11.3). Стержневым называется магнитопровод, имеющий два стержня, на которые насажены обмотки, и два ярма, замыкающие стержни. Обмотки размещаются на обоих
Рис. 11.2 Однофазный стержневой магнитопровод
Рис. 11.3 Однофазный броневой магнитопровод
стержнях, причем на каждом стержне помещаются обе обмотки ВН и НН, разделенные для этого на две части каждая. Такое размещение обмоток, при котором на одном стержне была бы обмотка ВН, а на другом НН, недопустимо вследствие резкого повышения реактивного падения напряжения Up от возникновения больших потоков рассеяния. Броневым называется магнитопровод с разветвленной магнитной цепью, имеющий один стержень, несущий обмотки и ярма, замыкающие стержень с двух сторон. Так как магнитный поток, выходящий из стержня, разветвляется на две части, то сечения ярм броневого магни-топровода имеют сечение, равное 50% сечения стержня.
Для однофазных трансформаторов малых мощностей преимуществом пользуются броневые магнитопроводы. Для силовых трансформаторов, где требуется иметь большую поверхность охлаждения обмоток
Рис. 11.4. Образование трехфазного магнитопровода путем совмещения трех однофазных стержневых магнитопроводов
и уменьшить (примерно вдвое) рассеяние, предпочтение отдается стержневым магнитопроводам.
Устройство трехфазного магнитопровода требует предварительного
принципиального обоснования.
Электрическая энергия в промышленных целях получается и используется в виде главным образом трехфазной системы переменного тока. Трехфазная система представляет собой систему трех однофазных переменных э. д. с, имеющих одинаковую частоту и сдвинутых по фазе относительно друг друга на угол 120°, т. е. на V8 периода.
Очевидно, что трансформация трехфазного тока возможна тремя отдельными однофазными трансформаторами, каждая из обмоток которых соединена в одну из трехфазных схем (в звезду или в треугольник).
Но, как это показал в 1891 г. русский электротехник М. О. Доливо-Добровольский, трансформация при трехфазной системе возможна также одним трехфазным трансформатором, имеющим общую магнитную цепь для трех фаз.
Трехфазный магнитопровод может быть получен путем совмещения трех однофазных стержневых магнитопроводов в один общий магнитопровод с некоторым дальнейшим преобразованием его формы. Для этого нужно взять три однофазных стержневых магнитопровода с одним стержнем, несущим обмотки, и сложить их вместе необмотанными (свободными) стержнями (рис. 11.4, а). Для простоты рисунка каждый магнитопровод показан одной жирной линией. Так как магнитные потоки во всех магнитопроводах синусоидальны по форме, равны между собой и сдвинуты на 120°, то на основании формулы суммы синусов
sin a + sin (а + 120°) + sin (а + 240°) = 0
сумма потоков в примыкающих друг к другу стержнях равна нулю и поэтому эти стержни можно отнять за ненадобностью. Превратив далее полученную пространственную симметричную форму магнитопровода (рис. 11.4, б, в) в плоскую, получим ныне применяемую форму трехфазного стержневого магнитопровода (рис. 11.4, г).
Трехфазный стержневой магнитопровод является несимметричным в отношении магнитных сопротивлений для потоков средней и крайних фаз. Это может быть пояснено на рис. 11.5.
Рис. 11.5. Потоки разных фаз в трехфазном несимметричном магнитопроводе:
а — поток фазы Л; б — поток фазы В
Поток фазы В проходит по более короткому пути, чем потоки фаз А и С. В связи с этим магнитное сопротивление для потока средней фазы В примерно в 2 — 2,5 раза меньше, чем для крайних фаз А и С, поэтому ток холостого хода у фазы В тоже меньше, чем у остальных фаз.
Так как фазные токи холостого хода у трехфазного трансформатора не равны между собой, то при проведении опыта холостого хода за величину тока холостого хода условно принимают его среднее значение по трем фазам
I0= (I1 +I2 +I3)/3.
При расчете тока холостого хода трехфазного трансформатора также определяется его среднее значение, так как берется общий вес стали магнитопровода и общее число стыков пластин.
§ 11.3. СТЫКОВЫЕ И ШИХТОВАННЫЕ МАГНИТОПРОВОДЫ
Магнитопроводы силовых трансформаторов собираются из отдельных пластин. Наиболее простым конструктивным решением для магнитопровода и последующей первой сборки трансформатора, т. е. насадки обмоток на стержни, были бы отдельная сборка стержней и ярм, из которых составляется магнитопровод. Схема устройства стыкового магнитопровода показана на рис. 11.6, а.
Однако стыковая конструкция страдает рядом серьезных недостатков. Во избежание замыкания пластин стержня и ярма в месте стыка (рис. 11.7, а) необходимо закладывать прокладку из изолирующего ма
териала (рис. 11.7, б). Но эта прокладка увеличивает магнитное сопротивление магнитопровода, что ведет к увеличению намагничивающего тока. В случае повреждения изоляционной прокладки замыкание пластин стержня и ярма может привести к так называемому пожару в стали, т. е. к аварии трансформатора.
Рис. 11.6. Конструкция магнитопроводов:
а — стыковая; б — шихтованная
Рис. 11.7. Стыковое соединение ярма и стержня:
я — без изолирующей прокладки; б — с изолирующей прокладкой: 1 — пластина ярма; 2—изоляция пластин; 3—изолирующая прокладка в стыке между ярмом и стержнем; 4 — путь замыкания вихревых токов; 5— пластины стержня
Из-за указанных недостатков стыковая конструкция не нашла широкого применения. В отечественном трансформаторостроении принята шихтованная конструкция магнитопроводов для силовых трансформаторов всех мощностей. Она обеспечивает большую жесткость магнитопровода, требует меньшего количества крепежных деталей и более надежна в эксплуатации.
Все четные слои имеют положение пластин, а все — обратное (зеркальное) расчетом, чтобы пластины одного слоя перекрывали стыки в соседних слоях.
Таким образом, пластины соседних слоев как бы переплетены друг с другом (рис. 11.6, б).
Магнитопровод шихтованной конструкции собирают из отдельных слоев, каждый из которых состоит из нескольких пластин, расположенных определенным образом.
§ 11.4. СХЕМЫ ШИХТОВКИ ОДНО- И ТРЕХФАЗНЫХ МАГНИТОПРОВОДОВ
Схема шихтовки одно- и трехфазного стержневых магнитопроводов показана на рис. 11.8 и 11.9.
При шихтовке магнитопровода ярма и стержни образуют как быодно целое. Но для насадки обмоток на стержни, т. е. для операции первой сборки трансформатора, после изготовления магнитопровода необходимо расшихтовать верхнее ярмо, т. е. вынуть все листы ярма, а после насадки обмоток — вновь его зашихтовать.
Для сокращения излишних операций по двукратной шихтовке верхнего ярма для трансформаторов габарита I на некоторых заводах
Рис. 11.8. Схема шихтовки однофазного стержневого магнитопровода:
а — первое положение пластин (нечетных слоев); б — второе, обратное первому, положение пластин (четных слоев); в — перекрытие стыков
Рис. 11.9. Схема шихтовки трехфазного магнитопровода: а — первое положение пластин (нечетных слоев); б—второе, обратное первому, положение пластин (четных слоев)
стали совмещать операции по сборке шихтованного магнитопровода и первой сборке в одну операцию, при которой шихтовка магнитопровода производится непосредственно в обмотках, положенных горизонтально (рис. 11.10).
Рис. 11.10 Сборка (шихтовка) магнитопровода непосредственно в обмотках
Кроме того, на некоторых заводах шихтовку верхнего ярма в малых трансформаторах также не делают при сборке магнитопровода, а для его подъема ярмовые балки ставят на стержни ниже будущей зашихтовки.
§ 11.5. ВЛИЯНИЕ СХЕМ ШИХТОВКИ И ВЕЛИЧИНЫ ВОЗДУШНЫХ (НЕМАГНИТНЫХ) ЗАЗОРОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ХОЛОСТОГО ХОДА
Для ускорения сборки магнитопровода шихтовку часто производят слоями не в один, а в два или три (и более) изолированных листа одновременно. При этом схемы шихтовки остаются без изменения, но
Рис. 11.11. Формы немагнитных (воздушных) зазоров:а — в стыковом магнитопроводе; б — в шихтованном (одновременно в два листа) магнитопроводе. Стрелки показывают направление линий магнитной индукции
толщина каждого слоя возрастает соответственно вдвое или втрое. Однако при этом необходимо иметь в виду, что увеличение толщины слоя приводит к возрастанию потерь и тока холостого хода трансформатора, так как увеличивается магнитное сопротивление магнитным линиям, обходящим места стыков пластин. Это видно из сравнения рис. 11.11, а, б. Чем больше пластин в слое, тем большее число магнитных линий замыкается через воздушные (немагнитные) зазоры между пластинами стержня и ярма
.Рис. 11.12. Части магнитопровода из холоднокатаной стали, в которых возникают увеличенные потери при прямых (а и б) и косых (в) стыках.
Так как магнитный поток должен преодолевать воздушные зазоры в стыках пластин (как в стыковой, гак и в шихтованной конструкциях магнитопровода), то величина этих зазоров существенно влияет на величину намагничивающего тока трансформатора.
С целью его уменьшения при сборке магнитопровода внимательно следят за тщательным выполнением шихтовки в местах стыка пластин. Зазоры между пластинами в среднем не должны превышать 1—2 мм. В противном случае производят подбивку зазоров, а иногда требуется перешихтовка магнитопровода.
Ранее было сказано, что холоднокатаная электротехническая сталь имеет наибольшую магнитную проницаемость в направлении вдоль ее проката. Поэтому если магнитопроводы шихтовать из прямоугольных пластин холоднокатаной стали, то в углах магнитопровода магнитные линии будут поворачиваться под углом к оси пластины и будет иметь место увеличение потерь и намагничивающей мощности (рис. 11.12, а, б). Если сделать стыки между пластинами косыми (рис. 11.12, в), то эффект углов может быть сведен к минимуму.
Вместе с тем косые стыки сильно усложняют конструкцию и технологию изготовления пластин и сборку всего магнитопровода, делая эти операции более трудоемкими в производстве. Поэтому в отечественном трансформаторостроении магнитопроводы с косыми стыками пока широкого распространения не получили. Некоторое упрощение может дать применение комбинированной конструкции с прямыми и косыми стыками (см. рис. 11.1, а).
Контрольные вопросы
- Перечислите основные марки электротехнической стали, применяемой в трансформаторах.
- Изобразите стержневой и броневой однофазный магнитопроводы.
- Как обосновывается получение трехфазного стержневого магнитопровода?
- Почему он называется несимметричным?
- Каковы преимущества и недостатки шихтованного магнитопровода по сравнению со стыковым?
- Что дают косые стыки для магнитопроводов из холоднокатаной стали?